多層全裝配式綜合樓設(shè)計(jì)與施工

摘 要：全裝配式混凝土結(jié)構(gòu)可極大提升建筑建造效率及施工質(zhì)量，減少建筑建造過程的濕作業(yè)。通過分析國(guó)內(nèi)針對(duì)多層全裝配式建筑的研究成果，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)選取適宜項(xiàng)目的預(yù)制構(gòu)件連接方式，并應(yīng)用于長(zhǎng)沙地區(qū)某具體采用多層全裝配式墻板結(jié)構(gòu)體系建造的學(xué)校綜合樓項(xiàng)目中；該綜合樓的結(jié)構(gòu)構(gòu)件豎向承重墻、樓板、梁、樓梯均采用全預(yù)制，豎向承重剪力墻間連接設(shè)計(jì)基本采用預(yù)留手孔螺栓連接；全預(yù)制樓板之間連接設(shè)計(jì)采用預(yù)埋鋼板螺栓連接，詳細(xì)闡述該棟建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)、施工，并探討該類多層全裝配式墻板結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑；螺栓連接；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；預(yù)制構(gòu)件；預(yù)留手孔；施工

中圖分類號(hào)：TU758.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）22-0120-04

Abstract： Fully fabricated concrete structure can greatly improve the efficiency and quality of building construction and reduce the wet work in the process of building construction. Based on the analysis of the domestic research results on multi-storey fully fabricated buildings， the connection mode of prefabricated components suitable for the project is selected according to the characteristics of the project， and applied to a school complex building project built with multi-storey fully fabricated wallboard structure system in Changsha area. The vertical load-bearing walls， floors， beams and stairs of the comprehensive building are all precast， the connections between vertical load-bearing shear walls are basically designed with reserved hand-hole bolts， and the connections between fully prefabricated floors are designed with pre-embedded steel plate bolts. The structural design， prefabricated component design and construction of the building are described in detail， and the application value of this kind of multi-story fully assembled wallboard structure system is discussed.

Keywords： prefabricated building; bolted connection; structural design; prefabricated components; reserved hand holes; construction

裝配式建筑是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護(hù)系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)的主要部分采用預(yù)制部品部件集成的建筑[1]，目前裝配式建筑多采用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是由預(yù)制混凝土構(gòu)件通過可靠的連接方式裝配而成的混凝土結(jié)構(gòu)，包括裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)、全裝配混凝土結(jié)構(gòu)等[2]。近年來隨著低多層高品質(zhì)住宅、學(xué)生公寓、安置房、教學(xué)用房的需求大幅提升，能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)高品質(zhì)的低多層全裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系研究也有了蓬勃發(fā)展[3-4]。

李然等[5]在基于團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CECS 604—2019《裝配式多層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[6]的基礎(chǔ)上針對(duì)采用預(yù)留手孔螺栓連接的裝配式多層混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)開展了抗震性能試驗(yàn)研究，研究結(jié)論表明該種剪力墻體系在未設(shè)置邊緣構(gòu)件的情況下仍具有良好的延性，并建議該類剪力墻體系在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，在小震作用下采用整體墻肢模型，在中震和大震作用下采用獨(dú)立墻肢模型；李錫洲等[7]在基于T/CECS 809—2021《螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[8]的基礎(chǔ)上針對(duì)采用預(yù)埋連接和螺栓連接的多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)開展了彈性階段抗震性能研究分析，研究表明該新型結(jié)構(gòu)體系在彈性階段（多遇地震）下結(jié)構(gòu)側(cè)向位移很小，抗側(cè)剛度較大，整體抗震性能良好、具有較大的結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備。肖明等[9]針對(duì)預(yù)制剪力墻采用鋼筋錨環(huán)或鋼筋繩套連接的多層全裝配式混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)研究，研究結(jié)論表明采用鋼筋錨環(huán)與鋼絲繩套連接的豎向接縫具有較好的抗剪能力，在多遇地震和設(shè)防地震作用下豎向接縫無明顯滑移，墻肢受力及變形均呈現(xiàn)良好的整體性；在罕遇地震作用下，豎向接縫產(chǎn)生一定的滑移，但對(duì)剪力墻水平承載力的削弱程度有限。趙福超等[10]針對(duì)典型拉力螺栓及剪力螺栓連接裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)體系分別進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，研究表明上述2種不同螺栓連接的墻板均滿足低層建筑安全性，剪力螺栓連接墻板得益于高強(qiáng)螺栓優(yōu)異的抗滑移性能，其整體剛度和耗能能力普遍優(yōu)于拉力螺栓連接墻板的整體剛度和耗能能力。

本文基于上述裝配式多層混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)的研究成果，以湖南省長(zhǎng)沙市某多層全裝配式綜合樓實(shí)際工程為案例，對(duì)其建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)及施工進(jìn)行剖析。

1 工程概況

本文研究對(duì)象為湖南省長(zhǎng)沙市某多層全裝配式綜合樓，建筑占地面積1 014 m2，總建筑面積5 070 m2，地上5層，無地下室，主要建筑功能為綜合樓。建筑檐口高度為18.3 m，屋脊高度為23.2 m，各層層高均為3.6 m，平面尺寸為50.7 m×20.0 m，結(jié)構(gòu)形式為多層裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)，裝配率為79%[11]，應(yīng)用的預(yù)制構(gòu)件包括裝飾保溫承重一體化外墻、預(yù)制承重內(nèi)墻、全預(yù)制樓板、預(yù)制樓梯板、全預(yù)制平臺(tái)及歇臺(tái)板、全預(yù)制梁、預(yù)制沉箱一體板，符合湖南省AA級(jí)綠色裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)[11]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)信息

本項(xiàng)目綜合樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限為50年，地面粗糙度為C類。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，抗震設(shè)防烈度為6度，按7度采取抗震措施，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類），抗震等級(jí)為三級(jí)。

2.2 荷載信息

風(fēng)荷載取值原則：50年一遇基本風(fēng)壓ω0=0.35 kN/m2；風(fēng)荷載體型系數(shù)μs=1.3；風(fēng)壓高度變化系數(shù)μs和風(fēng)振系數(shù)βz按荷載規(guī)范取值，同時(shí)風(fēng)振系數(shù)βz還應(yīng)滿足通用規(guī)范不小于1.2的要求。

雪荷載取值原則：屋面為鋼結(jié)構(gòu)四坡屋面，對(duì)雪荷載敏感，基本雪壓按100年一遇取s0=0.50 kN/m2。

2.3 各預(yù)制構(gòu)件之間連接節(jié)點(diǎn)

本項(xiàng)目綜合樓結(jié)構(gòu)形式為多層裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)，各預(yù)制構(gòu)件之間通過不同的連接方式和連接節(jié)點(diǎn)形成結(jié)構(gòu)整體，共同受力、共同工作。

預(yù)制承重墻之間的豎向和水平接縫大部分采用預(yù)留手孔螺栓連接方式，如圖2及圖3所示。承重墻與基礎(chǔ)之間的水平接縫大部分也采用預(yù)留手孔螺栓連接；在上述水平接縫處均采用坐漿料填實(shí)。

預(yù)制樓板之間、預(yù)制樓板與承重墻、預(yù)制樓板與預(yù)制梁之間的連接均設(shè)計(jì)采用螺栓連接。根據(jù)T/CECS 604—2019[6]規(guī)定，結(jié)合屋面天溝造型，在屋面設(shè)置了封閉的后澆混凝土圈梁。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

本項(xiàng)目綜合樓采用盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件YJK 5.2.1進(jìn)行整體分析。

2.4.1 模擬整體受力分析

為豐富綜合樓立面效果及徹底杜絕屋面滲漏水的情況，在全預(yù)制平屋面板層又設(shè)計(jì)了一層鋼結(jié)構(gòu)四坡屋面層，結(jié)構(gòu)形式為鋼框架，鋼柱腳采用鉸接連接，同時(shí)為了使計(jì)算模型與實(shí)際相符，能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)受力情況，建模時(shí)將鋼結(jié)構(gòu)屋面與下部混凝土整體建模分析，計(jì)算模型如圖4所示。

由于綜合樓單體下部結(jié)構(gòu)為混凝土墻，上部為鋼框架，兩者剛度相差過大，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)主要振型集中在鋼結(jié)構(gòu)部分，為滿足參與質(zhì)量系數(shù)不小于90%，將振型數(shù)增加到66個(gè)后才滿足計(jì)算要求。

2.4.2 剪力墻水平接縫分析

根據(jù)T/CECS 604—2019[6]8.2.4條，“當(dāng)剪力墻之間水平接縫滿足本規(guī)程第8.4.1～8.4.3條規(guī)定的承載力及構(gòu)造要求時(shí)，結(jié)構(gòu)整體分析可采用無水平接縫的結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型”。

預(yù)制剪力墻之間水平接縫采用螺栓連接或漿錨搭接連接，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)T/CECS 604—2019[6]8.4.2條和8.4.3條規(guī)定，對(duì)預(yù)制剪力墻水平接縫在多遇地震及風(fēng)荷載組合作用下，以及設(shè)防烈度地震作用下的受剪承載力進(jìn)行驗(yàn)算，所有剪力均由螺栓和連接鋼筋承擔(dān)，其次還應(yīng)滿足等面積替換原則，螺栓或連接鋼筋的總截面面積不小于剪力墻中豎向鋼筋總截面面積，同時(shí)螺栓或連接鋼筋的最小直徑、最小間距及相應(yīng)的構(gòu)造措施滿足規(guī)范要求。通過以上措施的實(shí)施，滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體分析按無水平接縫的結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算分析。

2.4.3 剪力墻豎向接縫分析

各片預(yù)制剪力墻之間的連接大部分為螺栓連接，是一種干式連接方式，根據(jù)T/CECS 604—2019[6]6.2.6條規(guī)定阻尼比取3%。

根據(jù)T/CECS 604—2019[6]8.2.4條規(guī)定，為更加真實(shí)模擬、反映出豎縫處的受力情況，采取如下措施，在每塊剪力墻之間的連接處開設(shè)200 mm×3 400 mm的墻洞，即各剪力墻之間通過200 mm高的弱連梁連接，通過整體指標(biāo)對(duì)比，結(jié)果變化很小，且均滿足規(guī)范要求。

選取水平剪力最大的剪力墻，將其水平剪力換算為豎向接縫處剪力，并據(jù)此計(jì)算出豎向接縫處所需螺栓數(shù)量，同時(shí)還應(yīng)滿足相應(yīng)的構(gòu)造要求。

3 構(gòu)件設(shè)計(jì)

3.1 開大窗的預(yù)制承重外墻

南北兩側(cè)外墻布置有數(shù)量較多的窗戶和百葉，將剪力墻分割為長(zhǎng)度小于600 mm的若干獨(dú)立小墻柱，墻柱高寬比小于3，根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)按框架柱進(jìn)行設(shè)計(jì)。柱縱向受力鋼筋、箍筋等同時(shí)滿足計(jì)算要求和構(gòu)造要求。

3.2 全預(yù)制樓梯

由于樓梯的斜梯板、平臺(tái)板和歇臺(tái)板均為全預(yù)制，斜梯板兩端分別擱置在平臺(tái)板和歇臺(tái)板的暗梁挑耳上，平臺(tái)板標(biāo)高與樓層標(biāo)高相同，兩端與剪力墻進(jìn)行連接，歇臺(tái)板位于半層高位置，擱置在剪力墻挑耳上。因此應(yīng)對(duì)暗梁的受彎，挑耳的受剪等進(jìn)行驗(yàn)算復(fù)核。

3.3 鋼屋面鋼柱

鋼屋面外圈鋼柱通過在后澆圈梁上預(yù)埋錨栓與下部混凝土連接，內(nèi)部鋼柱則根據(jù)位置不同分別落在剪力墻交接處樓板上或直接落在悶頂樓板上，除應(yīng)對(duì)柱腳進(jìn)行驗(yàn)算外，還應(yīng)對(duì)鋼柱直接落在樓板上的情況驗(yàn)算樓板的抗彎和抗沖切承載力。

4 關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及施工

4.1 首層預(yù)埋留手孔螺栓連接設(shè)計(jì)及高精度施工

首層預(yù)制承重墻與地基現(xiàn)澆基礎(chǔ)梁的連接根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求設(shè)計(jì)采用了預(yù)埋留手孔螺栓連接方式，預(yù)埋在現(xiàn)澆基礎(chǔ)梁上的螺桿總計(jì)670個(gè)；此種預(yù)埋方式的精度要求極高，必須做好專項(xiàng)交底，項(xiàng)目部應(yīng)提前做好測(cè)量定位及螺桿固定方案，明確安裝人員的數(shù)量，在安裝時(shí)做到急而不亂；螺桿預(yù)埋完成后還要做好復(fù)測(cè)和校正工作，發(fā)現(xiàn)偏位和錯(cuò)誤立刻處理，不能等到吊裝時(shí)發(fā)現(xiàn)偏位再去處理；螺桿需要做好保護(hù)工作防止絲頭被混凝土污染，影響后期的螺栓安裝。

4.2 預(yù)制沉箱一體板連接設(shè)計(jì)及施工

本項(xiàng)目綜合樓衛(wèi)生間采用同層排水，為提高結(jié)構(gòu)樓板的施工效率及杜絕衛(wèi)生間滲漏水現(xiàn)象，衛(wèi)生間樓板設(shè)計(jì)采用帶沉箱的標(biāo)準(zhǔn)化一體化全預(yù)制樓板，該構(gòu)件尺寸均為3 000 mm×7 300 mm，吊裝施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)沉箱位置定位，樓板擱置于其四周的承重墻上，并與相鄰全預(yù)制樓板采用預(yù)埋鋼板螺栓連接固定，有效提高樓蓋的整體性和抗震性能。

4.3 預(yù)制天溝一體化屋面板設(shè)計(jì)及施工

本項(xiàng)目綜合樓采用天溝外排水系統(tǒng)，為提高外天溝成品的施工效率及耐久性，設(shè)計(jì)采用將外天溝與主體結(jié)構(gòu)屋面板一體化的全預(yù)制板，該類型構(gòu)件吊裝施工過程中應(yīng)充分注意懸挑主體結(jié)構(gòu)以外的樓板穩(wěn)定性，適時(shí)增加安裝支撐；吊裝就位后應(yīng)及時(shí)做好預(yù)制樓板間的螺栓連接及與承重墻板的螺栓連接施工。

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目?jī)H用時(shí)18天就完成了5層主體結(jié)構(gòu)的裝配建造（如圖5所示），體現(xiàn)了裝配式建筑高效優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)。

得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)工程竣工后核算，該項(xiàng)目較傳統(tǒng)多層框架結(jié)構(gòu)建筑施工人員數(shù)量減少了35%，模板材料節(jié)約了90%，施工工期縮短了60%，同時(shí)還降低了現(xiàn)場(chǎng)施工管理的難度，減少了施工現(xiàn)場(chǎng)噪音聲、揚(yáng)塵、建筑垃圾等，實(shí)現(xiàn)了綠色施工。

2）混凝土結(jié)構(gòu)存在鋼結(jié)構(gòu)屋面時(shí)，應(yīng)整體建模分析；同時(shí)通過調(diào)整結(jié)構(gòu)阻尼比、在墻端開洞等措施模擬螺栓連接及加強(qiáng)構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定。最終計(jì)算分析結(jié)果表明采用本文結(jié)構(gòu)計(jì)算方法可以滿足各項(xiàng)要求。

3）本項(xiàng)目預(yù)制沉箱一體板及預(yù)制天溝一體化屋面板的應(yīng)用，有效解決了現(xiàn)澆衛(wèi)生間或外天溝的繁瑣支模施工工序，將繁雜而重復(fù)的工序整合到預(yù)制構(gòu)件廠制作，同時(shí)所有水平構(gòu)件均在裝配施工過程中無需頂部支撐，有效加快施工效率及節(jié)省模板材料使用。

4）建議屋頂未設(shè)計(jì)采用鋼結(jié)構(gòu)坡屋面的低多層全裝配建筑屋面板采用疊合板，可有效提升屋面整體防滲漏能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 裝配式混凝土建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GBT 51231—2016[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

[2] 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ1—2014[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

[3] 陳定球，劉斌.低多層裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)體系研究綜述[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016，46（增）：633-636.

[4] 高志杰，郭振雷，張佳陽，等.我國(guó)裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系發(fā)展綜述[J].混凝土與水泥制品，2023，9（9）：69-74.

[5] 李然，田春雨，馬云飛，等.螺栓連接裝配式多層剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016，51（16）：1-7.

[6] 裝配式多層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：T/CECS 604—2019[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2020.

[7] 李錫洲，鐘易，張勝.螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)彈性階段抗震性能研究[J].特種結(jié)構(gòu)，2022，39（1）：17-21.

[8] 螺栓連接多層全裝配式混凝土墻板結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：T/CECS 809—2021[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2021.

[9] 肖明，韓文龍，呂晚睛，等.多層裝配式預(yù)制剪力墻抗震性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2023，44（12）：32-45.

[10] 趙福超，熊峰，陳江，等.不同螺栓連接裝配式墻板抗震性能[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，54（10）：4030-4042.

[11] 湖南省綠色裝配式建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：DBJ 43/T332—2018[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2018.

第一作者簡(jiǎn)介：伍丹（1986-），男，碩士，高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。研究方向?yàn)檠b配式建筑與智能建造技術(shù)。